（電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)論文）移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)的研究.pdf

移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)的研究 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e mo f o i l 航l l i n gi n d u s t 吼e s p e c i a l l y9 0 0 0 ma i l d1 2 0 0 0 md r i l l i n g 噸s b e i n g 誦d e l yu s e d ，m o 趾dm o f er e q u h m e ma b o u tr e l i a b i l 時(shí)a n ds t a b i l i t yw i l lb ep u t f 0 ，a r df o rt h ep o w e rs o u r c eo fo i ld r n l i n gi n d u s t r y m o v a b l ep o w 盯s t a t i o ni st h ep o 啊盯 s o u r c eo fo i ld r i l l i n gi n d u s t 吼鋤di t sr l i z a t i o no fi m e g r a t e dc o m f o ls y s t e mb e c o 峙sa n i m p o r t a mr e s e a r c h i n gd h c t i o n m o v a b l ep o w e rs t a 虹o ni sm a i n l yc o m p o s e do fd i e s e lg e n 刪o rs e t s 珊et ot h cc a p a c i t y o fs i n g l ed i e lg e n e r a t o rs e tc 咖0 t 曲s 白w i t ht l i ed y n a r n i cr 圯e d so ft l i ew h o l eo i ld r i l l i n g t 幽o l o g y a n dc o n s i d e r i n gt l i ef a c t o rs u c h 鵲r e d u n d a n c yd e s i g no fp o w e rs y s t e 峨s i z e w e i g h t 札d 叩a r ep a r t so fs i n g l es e te t c ，t 1 1 e r e f b r es e v e r a l 姐m et ”ea n ds m a l lc 印a c i t yd i e s e l g 鋤e r a t o rs e t sm u s tb ep 盯a l l e l e do ri l a t e d 叫t h eb a s i so fr e a l1 0 a d s a f i e rp a r a l l e l i n go f s e v e r a ld i e s e lg e n e r a t o rs e t s ，i ti si m p o r t a n c ef o rt h ee q u a l i z 砒i o no ft l l ea c t i v ep o w 盯a n d r e a c t i v ep o w 盯b a do nt h ep 血c i p l eo fp o w e rc o 曲r o lo fd i e s e lg e n e r a t o rs e ta n dt h c a l g o r i t h mo fm m o 舊c o 曲o l ，t h ed o s e d - l o o pc o n 叻ls n u c t l 鵬o fp o w e rs t l a r i n g 血盟y c o n t m la r ed e d u c t e di no r d e rt o 砌i z ec o n s t a n t 缸刪e n c y ，c o n s t 踟l tv o h a g e ，鋤dp o w e r s h a r i n gc o 曲_ 0 l 鋤o n gp a r a l l e l i n gd i e 1g e n e m t o rs e t s p o w e rs h a r i n gc o n t m li s t l l ec o 化o f l ei m e g m t e dc o m r o ls y s t e mo fm o v a b l ep a w 盱 s t a t i o n t h ec o 玎t r o ls y s t e mo fp o w e rs h a r i n gb a s e d0 ns p e 酣c o n n _ o ls y s t 嘲a n de x c i t a t i o n c 0 曲r 0 1s y s t e mo fs i n d ed i e s e lg e n 觚l t o rs e ta d d e dp o w e rs h 盯i n gm z 巧c o m r o l l e ra s p 鰣p h e f a l m r o l l i i l l 【1 kd i 儂鵬n c ev a l u eb e t w e 即p o w 盯m e a s u r e 】：i l e n to fd i 斷e md i e s e l s e t sb e c o m e 嬲t h ei n p u to f 如恐yc o m r o u 鋤df i l z z yc o r l 臼o lr o l c sa f ed e s i g 艙db y e 沖e r i e n c e ，t h 蛐t h eo u t p u t sw i l i c ha d j u s tt h es 毗i n g 訕ea sc o m r o lb i a s 盯ed e d u c t c db y i n f e r e n c em a c l l i n ea n dd e 丘l z z yi m 概e i ) u et ot h ei n p u t so fm z z yc o n t r o l l e ri sp a w e r d i 巧e r e n c eo fp m l l e l i n gd i e 辯lg e n e r a t o r t s ，t t l ep o w e rs h a r i n gc o m r o li sc o o r d i n a t i o n c o m f o la m o n gd i e s e lg e n e r a t o rs e t s t h er e a l i z a t i o no fp o w e rs h a r i n g 旬z z yc o n t r o l l e ri sb a s e do nm 如do fs o f h a r ef i 唧 i 曲珊n c ei nt h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mp l c + 碑c ) acl 肌g u a g em n c t i o n 曲o u tt h e 矗l z z y m r o la l g o r j t h mw a sw 血t e l li nt h es o 腳a r em a 阻a b ，鋤dt h e i l 、硯sp a c k a g e di nt h e d y l l a m i cl i i l l 【l i b r a j 呵w 1 1 i c hw o u l dh a v eb e e nc a l l e db ys o 舢v a r ew i n c c t h eo u t p mo ff h z z y c o n n _ 0 l l e r 謝l ld r i v er e l e v a ma c t u a t o r sb yt h ec o m r 肌n i c a t i o n 們t hs i e m e n ss 7 3 0 0p l c ， 觚dt h e nt l l eo f d i i l e 如z z yc 劬o l o f p o w e rs h a r i n gw o i l l db er e a l i z e d t h ei n t e g r a t e dc o m r o ls y s t e mo fm o v a b l ep a v 陀rs t a t i o nh a sb e e n 印p l i e di nm e z h o n g ”a n7 0 de l e c t f i cd r i v e sc o m r o ls y s t 鋤o fo i l 塒l l i n gr i g s ，a n dt h e 如n c t i o no f 碩士學(xué)位論文 a u t o m a t i cs y l l c 邱n i 刎o n ，s e p 刪o n 如dp o w e rs h 響g ，州t h e 融e c t i o n 觚dp r o t e c t i o f 廿l ec o m r o ls y s t e mw 盯er h z e d f i n a l l y t h r o u g l it h ee ) 【p e r i m e m s 礬da 尬l y s i sa b o u ts d v e r a l t y p i 齠lc o n d i t i o l l sd u n g 捌l 】i n gb yo i l 出i l l i n g 埏s ，t h er e 蹦l t si n d i c a t et h a tt h ed e s 薊 r e q u 慨n to ft l 塢i m e g r a t e dc o n 臼r o ls y s t 鋤o fm o v a b l ep o w e rs t a t i o ni sr e 踮h e d ，蛆d p r o v i d e saf o u n d a t i o nf o r 謝d e l yu s e df o mn o w 0 n k e yw o r d s ：m o v 曲l ep o w e rs t a t i o n ：p o w e rs h a i i n g ；f u z z yc o m r o l ；w i n c c ：p l c 移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)的研究 附表索引 表3 1 模糊變量的賦值表2 5 表3 2 有功功率模糊控制規(guī)則表2 6 表3 3 無(wú)功功率模糊控制規(guī)則表2 9 表4 1 信號(hào)模塊選型3 5 表5 1 起井架工況下功率分配的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)5 3 表5 2 鉆進(jìn)工況下功率分配的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)5 3 表5 3 起下鉆工況下功率分配的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)5 4 表5 4 下套管工況下功率分配的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)5 4 移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)的研究 插圖索引 圖1 1 石油鉆機(jī)直流傳動(dòng)( s c r ) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 圖2 1 柴油發(fā)電組并網(wǎng)條件分析8 圖2 3 同步發(fā)電機(jī)的功角特性1 0 圖2 4 負(fù)荷的頻率特性1 1 圖2 5 發(fā)電頻率特性1 2 圖2 6 移動(dòng)電站電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻1 2 圖2 7 并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的有功功率分配1 3 圖2 8 發(fā)電機(jī)無(wú)功一電壓特性1 5 圖2 9 并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的無(wú)功分配1 6 圖2 1 0 無(wú)功電流調(diào)差裝置原理圖1 8 圖2 1 1 無(wú)功電流調(diào)差裝置矢量圖1 9 圖2 1 2 兩臺(tái)同容量發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)向量圖2 0 圖3 1 單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)頻調(diào)載結(jié)構(gòu)圖2 2 圖32 并網(wǎng)機(jī)組有功功率均衡控制原理框圖2 3 圖3 3 三角形隸屬度函數(shù)2 5 圖3 4m a m d a 血模糊推理2 7 圖3 5 并網(wǎng)機(jī)組無(wú)功功率均衡控制原理框圖2 8 圖3 6 單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組帶載運(yùn)行仿真模型3 0 圖3 7 柴油發(fā)電機(jī)組增加負(fù)載時(shí)的仿真波形3 1 圖3 8 并聯(lián)運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組間功率均衡分配仿真模型3 2 圖3 9 并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間功率均衡分配的仿真波形3 2 圖4 1 移動(dòng)電站控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖3 4 圖4 2p l c 控制系統(tǒng)示意圖3 5 圖4 3 移動(dòng)電站控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)3 7 圖4 4 主程序流程圖3 8 圖4 5 自動(dòng)準(zhǔn)同步并網(wǎng)中斷子程圖3 9 圖4 6 頻差判定程序流程圖4 0 圖4 7 獲取恒定越前時(shí)間的時(shí)序圖4 l 圖4 。8c s 翻p t 全局腳本編輯器4 2 圖4 9c s 研p t 中動(dòng)作和函數(shù)的工作原理圖4 3 圖4 1 0 算法的調(diào)用結(jié)構(gòu)4 5 碩士學(xué)位論文 圖4 1 1 變量管理器組態(tài)變量4 7 圖4 1 2 控制系統(tǒng)監(jiān)控主界面4 8 圖4 1 3w i n c c 和p l c 之間的過(guò)程通訊圖4 9 圖5 1z j 7 0 d 電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)單線圖5 1 v 蘭州理工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得 的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè) 人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集 體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承 擔(dān)。 作者簽名：堯乏名 日期：姍眸多月呂日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校 有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權(quán)蘭州理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有 關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位 論文。同時(shí)授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國(guó)學(xué)位論文 全文數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 旋緯 如 日期0 卯g 年么月孑日 日期：) 孝f 多月；日 碩士學(xué)位論文 1 1 引言 第1 章緒論 移動(dòng)電站作為獨(dú)立的供電電源被廣泛地應(yīng)用于石油鉆機(jī)工業(yè)領(lǐng)域，石油鉆機(jī) 按工作環(huán)境分，有陸地鉆機(jī)、沙漠鉆機(jī)和海洋鉆機(jī)。無(wú)論是在陸地、沙漠，還是 在海洋，它們的共同點(diǎn)是：遠(yuǎn)離城市供電電網(wǎng)和具有一定的機(jī)動(dòng)性。因而，對(duì)遠(yuǎn) 離城市電網(wǎng)的設(shè)施以及機(jī)動(dòng)性設(shè)備進(jìn)行供電的系統(tǒng)我們統(tǒng)稱為移動(dòng)電站電力系 統(tǒng)。移動(dòng)電站電力系統(tǒng)是柴油發(fā)電機(jī)組、電網(wǎng)、配電裝置以及用電負(fù)荷所組成的 完整體系的總稱。其主電源一般采用幾臺(tái)容量不太大，同容量、同型號(hào)的柴油發(fā) 電機(jī)組，輔助電源一般采用小容量的應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組。為了便于管理，系統(tǒng)的 柴油發(fā)電機(jī)組，包括它們的控制、配電裝置及輔助設(shè)備，通常集中布置在一個(gè)或 兩個(gè)電控房或船艙室內(nèi)。 移動(dòng)電站電力系統(tǒng)與工業(yè)電網(wǎng)電力系統(tǒng)在容量、輸電方式、負(fù)載容量等方面 均有較大差別。 ( 1 ) 移動(dòng)電站多為單一電站，容量較小。其電壓等級(jí)為6 0 0 v ，頻率為5 0 h z 或6 0 h z ，單機(jī)容量6 0 0 1 3 0 0 k w ，總裝機(jī)容量5 0 0 0 k w 左右，視在功率配備達(dá)到 7 5 0 0 k v a 。但是，與工業(yè)電網(wǎng)電力系統(tǒng)的容量是無(wú)法比擬的。 ( 2 ) 電網(wǎng)輸電距離短，輸送容量小，輸電電壓低。由于線路短，電網(wǎng)發(fā)生短 路時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的影響較大。 ( 3 ) 負(fù)載容量相對(duì)較大。石油鉆機(jī)上大的用電負(fù)載，如泥漿泵、轉(zhuǎn)盤和絞車 等，其功率可與單臺(tái)發(fā)電機(jī)容量相比擬。 ( 4 ) 當(dāng)起動(dòng)大功率異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)會(huì)造成較大的沖擊，因而對(duì)移動(dòng)電 站電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了較高的要求。如要求發(fā)電機(jī)調(diào)壓器動(dòng)作時(shí)間要快，有 強(qiáng)行勵(lì)磁的能力，發(fā)電機(jī)有較大的承受過(guò)載的能力。 我國(guó)有著豐富的石油資源，隨著陸地、沙漠及海上油田的不斷開發(fā)，石油電 驅(qū)動(dòng)鉆機(jī)數(shù)量不斷增加，系統(tǒng)配置的要求將不斷提高。在滿足鉆機(jī)工藝的前提下， 往往單臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的容量難以滿足整個(gè)系統(tǒng)的能量要求，必須根據(jù)實(shí)際負(fù)荷 適時(shí)采用多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，并聯(lián)后各機(jī)組之間的有功功率和無(wú)功功率 均衡分配成為了不可忽視的問(wèn)題。 移動(dòng)電站電力系統(tǒng)主要是由多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組組成，為石油鉆機(jī) 現(xiàn)場(chǎng)提供動(dòng)力電源。柴油發(fā)電機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行可以根據(jù)鉆機(jī)作業(yè)工況的變化，確 定并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的臺(tái)數(shù)。同時(shí)，當(dāng)任意一臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)故障或停機(jī)檢修時(shí)，電動(dòng)鉆 機(jī)可不問(wèn)斷工作。柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，由于每臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行特性不一樣， 移動(dòng)電站綜臺(tái)控制系統(tǒng)的研究 使得并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的出力不一樣，存在功率分配不均衡的問(wèn)題。有的機(jī)組負(fù)荷急 劇增加，有的機(jī)組從電網(wǎng)上吸收能量做逆功，甚至使發(fā)電系統(tǒng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因 此，在各種鉆機(jī)作業(yè)工況下，為保遷發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)控 制并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間的功率均衡分配。 目前，并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間的功率均衡主要采用主從控制方式1 2 】，即在并聯(lián)運(yùn)行 的各機(jī)組中，設(shè)定序號(hào)最小的機(jī)組為主動(dòng)機(jī)組，其余均為從動(dòng)機(jī)組。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)， 所有在線并聯(lián)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組控制單元中的功率調(diào)節(jié)器輸入端均為主動(dòng)機(jī)組 的同一控制信號(hào)，從而達(dá)到功率均衡分配的目的。這種均衡控制方式為開環(huán)控制 方式，如果各機(jī)組的調(diào)節(jié)特性不同，將不能達(dá)到功率完全均衡分配的目的。 并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間的功率均衡分配是一種綜合控制，它不僅涉及單臺(tái)柴油機(jī)的 調(diào)速系統(tǒng)和單臺(tái)發(fā)電機(jī)的調(diào)壓系統(tǒng)，而是涉及多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組之間調(diào)速控制和 調(diào)壓控制的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，因而難以建立有關(guān)功率均衡的精確數(shù)學(xué)模型。由于模 糊控制的最大特點(diǎn)是針對(duì)具有非線性、強(qiáng)耦合、不確定性、時(shí)變的多變量復(fù)雜系 統(tǒng)，因此，論文提出一種基于模糊控制的功率均衡控制方法，能實(shí)時(shí)控制并聯(lián)運(yùn) 行機(jī)組間有功功率和無(wú)功功率的自動(dòng)均衡分配，從而提高電動(dòng)鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和可靠性。 1 2 移動(dòng)電站控制系統(tǒng)綜述 近年來(lái)，我國(guó)石油鉆機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)化、研究開發(fā)能力和制造水平等方面有了較大 的提高和發(fā)展，尤其是由數(shù)字控制技術(shù)構(gòu)成的電動(dòng)鉆機(jī)電氣控制系統(tǒng)日趨成熟， 使得我國(guó)電動(dòng)鉆機(jī)的控制技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，極大地提高了電動(dòng)鉆機(jī)的工作 效率。 移動(dòng)電站作為一套電動(dòng)鉆機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)，由多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組組成，每臺(tái)柴 油發(fā)電機(jī)組又由柴油機(jī)、交流發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)組成。為了滿足電動(dòng)鉆機(jī)供電 的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力系統(tǒng)一般配置兩臺(tái)以上的柴油發(fā)電機(jī)組。各并聯(lián)運(yùn)行的 柴油發(fā)電機(jī)組經(jīng)過(guò)空氣斷路器隔離后連接到公共交流母排，為鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)提供動(dòng)力 及照明電源。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參見圖l ，1 所示。 移動(dòng)電站控制系統(tǒng)包括柴油機(jī)速度控制、發(fā)電機(jī)電壓控制以及功率均衡控制。 為了保證供電頻率穩(wěn)定和柴油發(fā)電機(jī)組有功功率的均衡分配，要對(duì)柴油機(jī)的燃油 供應(yīng)量進(jìn)行控制；為了保證發(fā)電機(jī)電壓的穩(wěn)定及無(wú)功功率的均衡分配，要對(duì)發(fā)電 機(jī)的勵(lì)磁電流進(jìn)行控制。此外，控制系統(tǒng)還設(shè)置了多種必要的保護(hù)功能，如逆功 率保護(hù)、過(guò)負(fù)荷保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過(guò)頻率及欠頻率保護(hù)等。通過(guò) 現(xiàn)場(chǎng)總線通信功能，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電站控制系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、報(bào)警提示等， 這為上層管理和決策提供了重要依據(jù)【1 1 6 1 ”。 2 碩士學(xué)位論文 l 一 d i e 辯1g 盯a t o r1d i e 鰣g e n e 塒0 r2d i e lg e n 啪t 四3g e nr o o m 星 1 3 1 0 k w 星星 c a l 3 5 1 2 b 1 5 l 1 9 0 0 k v a l 6 0 0 v ，5 0 h ei 一 1 9 l o a s m = o 7 一i 一 _ i 廠一虹_ 一，虹_ _ _ 一虹- _ - 鯉 匡一2 ：，鯽腳b 一2 0 0 0 a 吟r j 姍a蘆 ii 3 a c6 0 0 v5 0 k s c l 世 2 n a2 0 a 車華 s c r 2is c i 廣- i 一 一 i 2 o a -l j s c i l 一一k 一上 尚 一j 一一k 一土一一 l h 皿a1 h 皿b2 腰a2 腰br td w ad w b 圖1 ，1 石油鉆機(jī)直流傳動(dòng)( s c r ) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖中，d i e s e lg e n e r a t o r 一一表示柴油發(fā)電機(jī)組，e 代表柴油機(jī)：g 代表發(fā)電機(jī) g e n ，s y n 和s c r 一一分別代表發(fā)電控制柜、同期控制柜和直流傳動(dòng)柜 g e nr o o m 和s c rr 0 0 m 一一分別表示發(fā)電機(jī)房和電控房 m p ，r t 和d w 一一分別表示帶動(dòng)泥漿泵、轉(zhuǎn)盤和絞車的直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載 下面將對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組在轉(zhuǎn)速控制、電壓控制與功率均衡控制的 相關(guān)性方面分別進(jìn)行介紹。 1 2 1 柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速控制與有功功率調(diào)節(jié) 由于柴油機(jī)是按額定轉(zhuǎn)速發(fā)出最大功率和最高效率設(shè)計(jì)的，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)， 就會(huì)使柴油機(jī)效率降低并使其零件磨損加劇。幾臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，頻 率波動(dòng)會(huì)引起各機(jī)組有功負(fù)載分配不均勻，造成有的機(jī)組過(guò)載，嚴(yán)重時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行 受到破壞。為了保證移動(dòng)電站運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，運(yùn)行中對(duì)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速即發(fā) 電機(jī)頻率的調(diào)整是十分重要的。 柴油發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率是由柴油機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化來(lái)的，隨著負(fù)荷的 移動(dòng)電站綜臺(tái)控制系統(tǒng)的研冗 變化需要經(jīng)常調(diào)整柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，以保證電網(wǎng)頻率的恒定。對(duì)并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組，改 變機(jī)組間的有功功率分配，是通過(guò)改變各臺(tái)柴油機(jī)油門的大小，即單位時(shí)間內(nèi)進(jìn) 入氣缸的燃油量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。柴油機(jī)噴油量的大小，關(guān)系到柴油機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的 輸出功率。換句話說(shuō)，單機(jī)運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)的某一轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)輸出某一有功功率； 對(duì)并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組，某一頻率對(duì)應(yīng)著各發(fā)電機(jī)組輸出的有功功率【1 ”。所以，并聯(lián)運(yùn) 行機(jī)組的有功功率分配與發(fā)電系統(tǒng)的頻率調(diào)整密切相關(guān)。 1 2 2 發(fā)電機(jī)的電壓控制與無(wú)功功率調(diào)節(jié) 當(dāng)交流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，若發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓不相等，就會(huì)在發(fā)電機(jī)定子 繞組間產(chǎn)生環(huán)流，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)定子繞組電抗較電阻大得多，所以環(huán)流基本上是無(wú) 功的【3 】。在發(fā)電機(jī)之間，環(huán)流由勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)較高的發(fā)電機(jī)流向勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)較低的 發(fā)電機(jī)，引起無(wú)功負(fù)載電流的分配不均勻( 或不按發(fā)電機(jī)容量比例分配) 。當(dāng)相差 太大時(shí)，會(huì)引起一臺(tái)發(fā)電機(jī)電流過(guò)載而保護(hù)動(dòng)作( 跳閘) ，甚至嚴(yán)重時(shí)可能燒壞發(fā) 電機(jī)。因此，需要自動(dòng)調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁來(lái)改變環(huán)流，使無(wú)功電流分配的不均勻 度保持在允許的范圍內(nèi)。 因?yàn)殡妷汉蜔o(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)整都是要調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，所以自動(dòng)電 壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)又稱為勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)悔l 。 綜上所述，同容量、同型號(hào)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將系統(tǒng)的總負(fù)荷( 包括 有功功率和無(wú)功功率) 平均分配給參與運(yùn)行的各臺(tái)機(jī)組；當(dāng)不同容量的發(fā)電機(jī)組 并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，則將系統(tǒng)的總負(fù)荷按各臺(tái)發(fā)電機(jī)容量成比例地分配給運(yùn)行的發(fā)電機(jī) 組，以增強(qiáng)并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。 1 2 3 柴油發(fā)電機(jī)組的功率均衡控制 一 柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)功率分配不均衡的現(xiàn)象，較大的功率 不均衡，在電網(wǎng)負(fù)載接近發(fā)電機(jī)總?cè)萘繒r(shí)，會(huì)引起其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)組過(guò)載，而在 電網(wǎng)處于輕載時(shí)又會(huì)在并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組之間產(chǎn)生環(huán)流，甚至?xí)鹉婀β侍?閘。所以功率分配不均衡對(duì)均勻利用各機(jī)組的容量以及提高電站運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性是 十分不利的。 因此，國(guó)家有關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組作了規(guī)定。如g b 7 9 9 7 4 規(guī)定【3 1 ：對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的交流發(fā)電機(jī)組，當(dāng)負(fù)載在總額定功率的2 0 l o o 范圍內(nèi)變化時(shí)，各發(fā)電機(jī)實(shí)際承擔(dān)的有功功率或無(wú)功功率與按發(fā)電機(jī)額定功率分 配比例的計(jì)算值之差，應(yīng)不超過(guò)最大發(fā)電機(jī)額定容量的士1 0 和最小發(fā)電機(jī)額定容 量的士2 0 ( 當(dāng)容量相同時(shí)為士1 0 ) 。 針對(duì)規(guī)范中規(guī)定的有功功率均衡分配的要求，通常移動(dòng)電站采用有差調(diào)速特 性的機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行。各機(jī)組可以有確定的功率分配，頻率也可以穩(wěn)定在一定范圍 內(nèi)。但是當(dāng)總負(fù)載變化時(shí)，由于調(diào)差系數(shù)的不一致和燃油控制系統(tǒng)的差異，功率 4 碩士學(xué)位論文 分配一般是不均勻的。若調(diào)速器選配得當(dāng)，則在調(diào)速器一次調(diào)節(jié)的作用下，可以 獲得一定的功率分配，頻差也不會(huì)太大。若想進(jìn)一步減小頻率與功率分配的靜態(tài) 誤差，必須依靠手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置進(jìn)行二次調(diào)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不同的調(diào) 節(jié)原理二次調(diào)節(jié)可以采用有差調(diào)節(jié)法、主從控制法以及虛有差法等調(diào)頻調(diào)載方案。 有功功率的調(diào)節(jié)是以調(diào)速特性為依據(jù)的，無(wú)功功率的分配則取決于電壓調(diào)節(jié) 特性。容易證明，如果參與并聯(lián)的兩臺(tái)機(jī)組都為無(wú)差特性，則因?yàn)闊o(wú)功電流的分 配關(guān)系不恒定，有可能導(dǎo)致一臺(tái)機(jī)組承擔(dān)了全部無(wú)功負(fù)荷而另一臺(tái)分擔(dān)的無(wú)功負(fù) 荷為零，因此這種情況下不能并聯(lián)【3 1 。通常并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組大都采用有差的電壓 調(diào)節(jié)特性，這種分配方式的特點(diǎn)是每臺(tái)機(jī)組承擔(dān)的無(wú)功負(fù)荷與其本身的電壓調(diào)差 系數(shù)( 特性曲線的斜率值取反) 成反比，因此分配關(guān)系是恒定的。特殊情況下， 若兩臺(tái)機(jī)組的調(diào)差系數(shù)大小相同，則并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組總是平均分擔(dān)無(wú)功負(fù)荷。因而， 欲使并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組能夠按一定關(guān)系分擔(dān)無(wú)功負(fù)荷，須保證它們的電壓調(diào)節(jié)特性皆 為有差特性，通常采用增添均壓線或無(wú)功電流調(diào)差裝置的方法。 1 3 控制策略及其實(shí)現(xiàn) 柴油發(fā)電機(jī)組間的自動(dòng)并網(wǎng)控制、調(diào)頻和有功功率均衡控制、調(diào)壓和無(wú)功功 率均衡控制以及各種保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)是移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)的體現(xiàn)。該控制系 統(tǒng)不僅涉及單臺(tái)柴油機(jī)的自動(dòng)調(diào)速和發(fā)電機(jī)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)壓，而且涉及柴油發(fā)電 機(jī)組并網(wǎng)后的功率均衡控制，因而它是各臺(tái)柴油機(jī)調(diào)速裝置和發(fā)電機(jī)調(diào)壓裝置間 的協(xié)調(diào)控制。 由于并聯(lián)運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組間的功率均衡控制具有多變量、強(qiáng)耦合、難以建 立精確的數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn)，因而該控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器和工控機(jī)為控制 中心，采用多輸入多輸出的模糊控制算法p 】，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間有功功率和 無(wú)功功率的均衡分配。 該模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)則是采用軟件模糊推理法1 8 9 】，即用軟件實(shí)現(xiàn)輸入模糊 化、模糊推理算法以及輸出去模糊化等模糊控制的主要過(guò)程，尤其是模糊推理過(guò) 程。它不同于模糊查表法把模糊推理過(guò)程離線完成，而是在線運(yùn)行時(shí)。每一個(gè)采 樣周期都要進(jìn)行模糊推理，即將傳感器感測(cè)信號(hào)經(jīng)d 轉(zhuǎn)換后送入計(jì)算機(jī)，用軟 件構(gòu)成的模糊控制器進(jìn)行模糊化、模糊推理和去模糊化，由程序“在線”計(jì)算出 控制量的大小，再經(jīng)p l c 去控制被控過(guò)程。目前一些專門的應(yīng)用軟件的發(fā)展備受 矚目。這些軟件提供一種類c 語(yǔ)言的高級(jí)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，用來(lái)編程實(shí)現(xiàn)模糊控制算 法，通過(guò)p l c 與計(jì)算機(jī)的通訊把結(jié)果傳遞給p l c ，實(shí)現(xiàn)其控制功能。 由于采用軟件實(shí)現(xiàn)模糊推理，因此這一方法靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍 廣，它可以用于輸入輸出論域?yàn)殡x散有限論域的情形，也可以用于連續(xù)無(wú)限論域 的情形，它比模糊查表法有更高的精度，因?yàn)橥评硪ㄙM(fèi)一定的時(shí)間，因而要求 移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)的研究 計(jì)算機(jī)有較高的運(yùn)行速度。 1 4 論文的主要工作 針對(duì)移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)的研究，本文提出一種基于集成自動(dòng)化系統(tǒng) ( p l c + i p c ) 的多輸入多輸出模糊控制器，以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組間有功 功率和無(wú)功功率的均衡分配。具體內(nèi)容為： ( 1 ) 針對(duì)多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)功率分配不均衡問(wèn)題，基于現(xiàn)有的石油 鉆機(jī)電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種功率均衡控制器，該控制器以可編程邏輯 控制器和工控機(jī)為控制中心，采用多輸入多輸出模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)各機(jī)組有功 功率和無(wú)功功率的均衡分配。 ( 2 ) 考慮到m a t l a b 模糊控制工具箱提供了c 語(yǔ)言程序接口，將m a t l a b 中開發(fā)的模糊控制算法程序改寫成一個(gè)c 語(yǔ)言函數(shù)，將其封裝在動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中， 通過(guò)w i n c c 調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，并將模糊控制的輸出通過(guò)m p i 多點(diǎn)傳輸協(xié)議傳遞 給p l c 以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成模糊控制算法在自動(dòng)化系統(tǒng)上的具體實(shí)施。 全文共分為五章，內(nèi)容安排如下： 第一章概述了移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)的特點(diǎn)、研究現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題，并 提出本文的主要研究?jī)?nèi)容。 第二章論述了柴油發(fā)電機(jī)組間的并網(wǎng)原理、頻率調(diào)節(jié)和有功功率均衡的相關(guān) 性理論以及電壓調(diào)節(jié)和無(wú)功功率均衡的相關(guān)性理論，并以向量圖的形式分析了兩 臺(tái)同容量柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)。 第三章分析了柴油發(fā)電機(jī)組的恒頻率調(diào)節(jié)和并聯(lián)運(yùn)行后有功功率均衡分配的 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及柴油發(fā)電機(jī)組的恒壓調(diào)節(jié)和并聯(lián)運(yùn)行后無(wú)功功率均衡分配的 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本章針對(duì)功率均衡控制系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)了功率均衡模糊控制器，并 對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的功率均衡進(jìn)行了仿真分析。 第四章是依據(jù)工程實(shí)際，選擇可編程邏輯控制器和工控機(jī)作為控制中心，對(duì) 移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)進(jìn)行了下位機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 第五章將本文研究的移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)應(yīng)用到中原石油鉆機(jī)7 0 d 電驅(qū)動(dòng) 控制系統(tǒng)的項(xiàng)目中，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試驗(yàn)證課題的研究成效。 6 碩士學(xué)位論文 第2 章柴油發(fā)電機(jī)組的功率控制原理 隨著石油鉆機(jī)工業(yè)對(duì)供電系統(tǒng)提出越來(lái)越高的要求，移動(dòng)電站的自動(dòng)化程度 也將得到不斷的提高。目前，對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組的控制大多仍局限于單臺(tái)機(jī)組的 控制，如單臺(tái)柴油機(jī)的速度閉環(huán)控制、單臺(tái)發(fā)電機(jī)的電壓閉環(huán)控制，而且相關(guān)的 產(chǎn)品如w 0 0 d w a r d2 3 0 1 d 調(diào)速器、b a s l e r d e s c 1 0 0 勵(lì)磁調(diào)壓裝置等也已得 到了成熟的應(yīng)用【1 “。但對(duì)于要求多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，并且實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行柴油發(fā)電 機(jī)組間功率均衡控制的場(chǎng)合，系統(tǒng)在控制的準(zhǔn)確性及可靠性上仍有待提高。隨著 工控機(jī)、p l c 等工業(yè)級(jí)微處理器的廣泛應(yīng)用，幾個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)將有機(jī)的結(jié)合 起來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。因而，移動(dòng)電站的自動(dòng)控制必然由局部控制系統(tǒng)發(fā)展為綜合 控制系統(tǒng)。 移動(dòng)電站的功率不均衡分配問(wèn)題是在多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行后產(chǎn)生的， 因而本章的第一節(jié)簡(jiǎn)要介紹了柴油發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)原理。在此基礎(chǔ)上，第二節(jié)詳 細(xì)論述了頻率和有功功率調(diào)節(jié)的相關(guān)性以及如何實(shí)現(xiàn)頻率恒定和有功功率的均衡 分配；第三節(jié)則詳細(xì)論述了電壓和無(wú)功功率調(diào)節(jié)的相關(guān)性阻及如何實(shí)現(xiàn)電壓恒定 和無(wú)功功率的均衡分配。最后，以向量圖的形式分析了兩臺(tái)同容量發(fā)電機(jī)組并聯(lián) 運(yùn)行時(shí)的功率調(diào)節(jié)。 2 1 柴油發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng) 柴油發(fā)電機(jī)組的并聯(lián)運(yùn)行是指將數(shù)臺(tái)機(jī)組的三相輸出通過(guò)發(fā)電控制柜內(nèi)的斷 路器分別接在公共交流母線上，共同向負(fù)載供電。電動(dòng)鉆機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)配套的數(shù)臺(tái) 同步發(fā)電機(jī)根據(jù)鉆井工藝的變化及對(duì)電量的需求進(jìn)行選擇性的并聯(lián)運(yùn)行，其優(yōu)點(diǎn) 是【1 】： ( 1 ) 可以按照負(fù)載的變化來(lái)調(diào)節(jié)投入運(yùn)行的機(jī)組數(shù)，使柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)在較高 的效率下運(yùn)行。 ( 2 ) 提高了供電的可靠性。當(dāng)某臺(tái)機(jī)組因故障不能發(fā)電或停機(jī)檢修時(shí)，其他機(jī) 組繼續(xù)供電，因而使供電更為可靠。 ( 3 ) 提高了供電質(zhì)量。并聯(lián)運(yùn)行能使電網(wǎng)容量增大，在負(fù)載變化時(shí)，電壓和頻 率的變動(dòng)就會(huì)減小，從而提高了供電質(zhì)量。 柴油發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)必須滿足一定的條件，否則會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，造 成嚴(yán)重后果，并網(wǎng)的條件如下： ( 1 ) 待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的電壓以和母線電壓u 大小相等。 7 移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)的研究 ( 2 ) 待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的電壓以和母線電壓u 相位相同。 ( 3 ) 待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的頻率五和母線頻率z 相等。 ( 4 ) 待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)的相序和母線相序相同。 柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時(shí)之所以需要滿足這些條件，現(xiàn)分別說(shuō)明如下【l 】。 若并網(wǎng)條件( 3 ) 、( 4 ) 兩條滿足而( 1 ) 、( 2 ) 兩條不滿足，即以以，則由于發(fā) 電機(jī)與母線之間存在著電位差( ，= 以一u ，如圖2 1 ( a ) 所示，故在并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī) 與交流母線之間將出現(xiàn)環(huán)流( 沖擊電流) ： ，一型 ( 2 1 ) “ 工， 式中x 一一發(fā)電機(jī)的電抗。 j 。、u 均為有效值，。滯后于u 9 0 0 。 在u ，與以的相位差較大( 如為1 2 0 0 ) 或極性相反的情況下誤并網(wǎng)時(shí)，沖擊 電流的瞬時(shí)值可達(dá)額定電流的4 6 倍。由此產(chǎn)生的電磁力可熊損傷定子繞組端 部，而很大的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩( 扭力矩) 將損傷機(jī)組轉(zhuǎn)軸。 丁 ， v ( a ) 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)單相圖( b ) 石 圖2 1 柴油發(fā)電組并網(wǎng)條件分析 若頻率不等，發(fā)電機(jī)和母線的電壓向量將有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖2 1 ( b ) 所示。若 把u 看作相對(duì)靜止，則以將以國(guó)：一凹的相對(duì)角速度向前旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，發(fā)電機(jī)與母 線之間將出現(xiàn)忽大忽小的電壓差u ，于是沖擊電流，。也忽大忽小。當(dāng)五與z 相 差過(guò)大時(shí)，就可能產(chǎn)生很大的機(jī)械振動(dòng)，使并網(wǎng)機(jī)組不能并聯(lián)運(yùn)行。 最后說(shuō)明相序要相同的問(wèn)題。這一條件是必須的，就是說(shuō)待并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組與 母線相序不同時(shí)，絕對(duì)不允許并兩。相序不同，發(fā)電機(jī)無(wú)法進(jìn)入同步。 2 2 自動(dòng)恒頻及有功功率均衡控制 2 2 1 頻率變化對(duì)移動(dòng)電站電力系統(tǒng)的影響 移動(dòng)電站的負(fù)載突然發(fā)生變化時(shí)，如電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停車等，柴油機(jī)油門尚 窖 碩士學(xué)位論文 未來(lái)得及變化，使柴油機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率與發(fā)電機(jī)組負(fù)載功率的平衡關(guān)系被破壞，引 起發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化，從而使電網(wǎng)頻率發(fā)生變化。 ，= 篆 ( 2 2 ) 而頻率是衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。供電系統(tǒng)的頻率波動(dòng)，會(huì)對(duì)移動(dòng)電 站運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)嚴(yán)重的影響。它不僅影響石油鉆機(jī)設(shè)備的正常工作， 而且會(huì)使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行惡化。當(dāng)電網(wǎng)頻率低于額定值時(shí)，由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下 降，軸上輸出功率和效率降低。在電動(dòng)機(jī)電壓不變的情況下，由于磁化曲線的飽 和特性，磁化電流增加要比磁通增加多得多，進(jìn)而會(huì)引起鐵芯和繞組發(fā)熱。當(dāng)頻 率高于額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高，對(duì)于轉(zhuǎn)矩不變的機(jī)械負(fù)載，其輸出功率必然 增加，使電動(dòng)機(jī)過(guò)載。對(duì)于離心式的泵類負(fù)載和風(fēng)機(jī)，其輸出功率與轉(zhuǎn)速的三次 方成正比，又會(huì)造成電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過(guò)載。另外，頻率增加時(shí)，在端電壓不變的情況 下，磁通必然減少。由于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與磁通成正比，所以使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn) 矩減小。有數(shù)據(jù)表明【”】：如果移動(dòng)電站的頻率是5 0 h z ，若與6 0 h z 的市電相連接， 則所有電動(dòng)機(jī)將超速2 0 運(yùn)轉(zhuǎn)，所有的離心式泵類負(fù)載都得增加7 3 的功率；反 之，當(dāng)移動(dòng)電站的頻率是6 0 h z 。若與5 0 h z 的市電相連接，則所有電動(dòng)機(jī)將以降 低1 7 的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。 2 2 2 同步發(fā)電機(jī)的功角特性 發(fā)電機(jī)的功角特性是指同步發(fā)電機(jī)接在電網(wǎng)上對(duì)稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出 的電磁功率與功率角之間的關(guān)系。所謂功率角就是指發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)丘和發(fā)電 機(jī)端電壓口這兩個(gè)向量之間的夾角1 1 1 】。分析表明：該功率角也就是發(fā)電機(jī)主磁極 磁場(chǎng)軸線與氣隙磁場(chǎng)軸線之間在空間的夾角，用符號(hào)占表示，如圖2 2 所示。 a 圖22 發(fā)電機(jī)運(yùn)行矢量圖 由于同步電抗z 。上電壓的相位超前定子電流9 0 。，所以，線段：硒與面垂直， m 曰c 與0 c d 相似，因此， 移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)的研究 刪= a b = 疋s i n 占 a c = x d l 柴油發(fā)電機(jī)組輸出電磁功率為 只。：3 明c o s p ：3 型s i n 占 ( 2 3 ) = 3 明c o s p = 3 爭(zhēng)s i n 占 ( 2 3 1 j 假設(shè)電網(wǎng)電壓u 等于常數(shù)，頻率也是恒定的，如果維持發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流不 變，那么e 也是常數(shù)，x 。的值也可以認(rèn)為是常數(shù)。這樣，電磁功率的大小就僅 由占角的大小決定，它們之間具有正弦函數(shù)的關(guān)系，如圖2 3 所示，電磁功率厶 與功角j 的關(guān)系曲線稱為發(fā)電機(jī)的功角特性曲線。 墮 x a 只 0 乏 9 0 。1 8 0 。占 圖2 3 同步發(fā)電機(jī)的功角特性 實(shí)際中，電網(wǎng)的運(yùn)行情況是每時(shí)每刻都在變化的。即使柴油機(jī)的輸出功率保 持不變，負(fù)荷的變動(dòng)使轉(zhuǎn)子受到的電磁力也是經(jīng)常變化的，從而使j 隨之發(fā)生變 化。如果原來(lái)的工作點(diǎn)j 在o 。9 0 0 之問(wèn)，外力作用使占發(fā)生微小的變化，則發(fā)電 機(jī)通過(guò)若干個(gè)擺動(dòng)周期后會(huì)回到原來(lái)的工作點(diǎn)，稱此區(qū)間為靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)間：而當(dāng) 功角在9 0 0 1 8 0 0 時(shí)，則不會(huì)回到穩(wěn)定，則稱之為非穩(wěn)定區(qū)。事實(shí)上，發(fā)電機(jī)不 可能在這個(gè)區(qū)間穩(wěn)定工作。當(dāng)功角繼續(xù)增大，超過(guò)1 8 0 0 時(shí)，則輸出負(fù)功率，也就 是從電網(wǎng)吸收功率( 逆功率) ，即進(jìn)入電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)了，此時(shí)氣隙磁場(chǎng)超前轉(zhuǎn)子 磁場(chǎng)，即由定子電流為主導(dǎo)產(chǎn)生豹?dú)庀洞艌?chǎng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)i l ”。 從圖2 3 中還可以看出：對(duì)于功角在0 0 9 0 。范圍內(nèi)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，保持輸出 電磁功率不變，增加發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，增加勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)e ，可提高極限功率，減 小功角j ，從而提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。 所以，功率角艿是反映同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要變量，它不僅決定了 發(fā)電機(jī)輸出功率的大小，而且說(shuō)明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行的空間位置。通過(guò)它把同步發(fā) 1 0 碩士學(xué)位論文 電機(jī)的電磁變化關(guān)系和機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)緊密地聯(lián)系起來(lái)。轉(zhuǎn)子空間位置的變化，引 起同步發(fā)電機(jī)有功功率的變化；反過(guò)來(lái)，轉(zhuǎn)子空間位置( 即氣隙合成磁場(chǎng)的相對(duì)位 置) 要受到電磁過(guò)程的制約。 2 2 3 電網(wǎng)頻率控制與發(fā)電機(jī)的有功功率調(diào)節(jié) 移動(dòng)電站電網(wǎng)的容量總是有限的，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化，或者發(fā)電機(jī)輸出有 功功率變化時(shí)，都會(huì)引起電網(wǎng)內(nèi)部有功功率失去平衡，從而引起系統(tǒng)頻率的波動(dòng)。 所以發(fā)電機(jī)與有限大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，有功功率調(diào)節(jié)比理想情況復(fù)雜些。 1 負(fù)荷的頻率特性 電網(wǎng)頻率波動(dòng)與負(fù)荷的頻率特性有關(guān)。所謂負(fù)荷的頻率特性，就是系統(tǒng)負(fù)荷 隨系統(tǒng)頻率變化的規(guī)律。系統(tǒng)中的負(fù)荷有的與頻率無(wú)關(guān)，有的與頻率成正比，有 的與頻率的二次方成正比，有的與頻率的更高次方成正比。負(fù)荷頻率特性一般可 表示為1 1 】 丘= 訛( 毒) 鴝鰣+ 響。叱1 。 旺4 ， 式中厶額定頻率； 最一系統(tǒng)頻率為廠時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷； 一一系統(tǒng)頻率為額定值厶時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷； ，口l ，”，d 。一一上述各種類型負(fù)荷占的比例系數(shù)。 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷的組成及性質(zhì)確定后，負(fù)荷頻率特性方程也就唯一地確定了，根 據(jù)負(fù)荷頻率特性方程做出負(fù)荷頻率特性曲線，如圖2 4 所示。 h n 圖2 4 負(fù)荷的頻率特性 2 發(fā)電頻率特性 電網(wǎng)頻率的波動(dòng)與發(fā)電機(jī)組的頻率特性也有關(guān)。當(dāng)系統(tǒng)頻率變化時(shí)，并網(wǎng)運(yùn) 行的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，柴油機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作，改變柴油機(jī)迸油量，調(diào)節(jié)發(fā) 電機(jī)的輸出功率以適應(yīng)負(fù)荷的需要。這時(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化方向與輸出功率的 彳i 一 一l彳。_ 一 一 一 一 一 一 彰一 計(jì)l小計(jì)l 移動(dòng)電站綜合控制系統(tǒng)的研究 變化方向是相反的，柴油機(jī)的靜特性是一條下傾的曲線。單臺(tái)發(fā)電機(jī)的發(fā)電頻率 特性也就是柴油機(jī)的靜特性【1 1 】。 電網(wǎng)的有功電源是由并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組成的，并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的發(fā)電頻率特 性，即系統(tǒng)頻率變化而引起的并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組輸出功率變化的關(guān)系，可以看成是并 聯(lián)運(yùn)行機(jī)組總的輸出功率的變化量等于并聯(lián)運(yùn)行各發(fā)電機(jī)輸出功率的變化量之 和，如圖2 5 所示。 n 五 0 p p 。，女p 。 圖25 發(fā)電頻率特性 3 自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載 移動(dòng)電站電力系統(tǒng)主要是由發(fā)電機(jī)組、輸電網(wǎng)絡(luò)及負(fù)荷組成的，如果把輸電 網(wǎng)絡(luò)的功率損耗看成是負(fù)荷的一部分，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，討論系統(tǒng)的頻 率特性和功率分配時(shí)，就可以將電力系統(tǒng)看成由發(fā)電機(jī)組和負(fù)荷兩個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的 閉環(huán)系統(tǒng)，發(fā)電頻率特性與負(fù)荷頻率特性的交點(diǎn)就是電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。 氏 五 五 0 置 藝：如 p 圖2 6 移動(dòng)電站電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻 。 由圖2 6 可見，如果系統(tǒng)中的負(fù)荷增加蠅，總負(fù)荷變?yōu)樽?。，假設(shè)這時(shí)系統(tǒng) 內(nèi)的所有機(jī)組無(wú)自動(dòng)調(diào)頻功能，機(jī)組的輸入功率恒定且等于只，由于電磁功率大 于發(fā)電機(jī)機(jī)械功率，發(fā)電機(jī)減速運(yùn)行，系統(tǒng)頻率將逐漸下降，負(fù)荷所取用的有功 功率也逐漸減小，依靠負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)負(fù)荷效應(yīng)系統(tǒng)達(dá)到新的平衡，運(yùn)行點(diǎn)由a 點(diǎn) 碩士學(xué)位論文 到b 點(diǎn)，頻率值下降到 ，系統(tǒng)負(fù)荷仍為原來(lái)的只。在這種情況下，頻率的偏差 值v 決定于必值的大小，一般是相當(dāng)大的。但是，實(shí)際上發(fā)電機(jī)組具有調(diào)頻 功能，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加，頻率開始下降時(shí)，調(diào)速器即起作用，增加機(jī)組的輸入功 率。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，運(yùn)行點(diǎn)穩(wěn)定在c 點(diǎn)，這時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷所取用的功率為只：，小 于額定頻率下所取用的功率最，頻率穩(wěn)定在疋。此時(shí)的頻率偏差比無(wú)調(diào)頻作 用時(shí)要小得多。由此可見，調(diào)速器對(duì)頻率的一次調(diào)頻作用是明顯的。 但是，當(dāng)負(fù)荷變動(dòng)相當(dāng)大，所引起的頻率下降超過(guò)了允許的頻率偏差范圍時(shí)， 就要上移發(fā)電頻率特性曲線。于是系統(tǒng)頻率上升，負(fù)荷取用的功率也增加。當(dāng)系 統(tǒng)中機(jī)組的輸入功率與負(fù)荷所需要的總功率b 相平衡時(shí)，運(yùn)行點(diǎn)由c 點(diǎn)移到d 點(diǎn)， 這時(shí)頻率恢復(fù)到額定值厶。上移發(fā)電頻率特性的過(guò)程也就增加發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功 率，提高系統(tǒng)頻率的過(guò)程。在運(yùn)行點(diǎn)由c 點(diǎn)移到d 點(diǎn)的過(guò)程中，系統(tǒng)負(fù)荷并未改 變，負(fù)荷只是按其頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)增加取用有功。隨著發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械功率增加， 7 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，系統(tǒng)頻率提高，系統(tǒng)頻差減小，發(fā)電頻率特性由曲線l 移到曲 線2 。圖2 6 中，釁：為一次調(diào)頻增加的功率，只，為二次調(diào)頻增加的功率。 當(dāng)幾臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，改變?nèi)我粰C(jī)組的輸入功率( 或負(fù)荷變化時(shí)) ， 所有并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的頻率( 或柴油機(jī)轉(zhuǎn)速) 都會(huì)發(fā)生變化。由于并聯(lián)運(yùn)行各機(jī)組的 發(fā)電頻率特性很難達(dá)到完全一致，而各機(jī)組的頻率又都是相同的，因而有功功率 的